浅埋煤层工作面上隅角低氧隐患形成规律及防治技术

2023-12-04苗宇岐赵强强

煤炭与化工 2023年10期

苗宇岐，李琨，辛毅，赵强强

（山西晋神沙坪煤业有限公司，山西忻州 036500）

0 引言

我国煤炭资源赋存条件差异巨大，在煤层厚度和倾斜角度、埋藏深度及煤层层间距等方面表现出不同的特征。山西北部部分地区煤层赋存条件具有埋藏浅、煤层间距近的特点，容易出现遗煤自然发火、工作面上隅角低氧等问题。

方保明[1]、刘永帮[2]等分别对锦界、郭家湾煤矿工作面低氧气体的来源进行分析，发现由于煤层赋存处于氮气—二氧化碳带，采煤过程中产生大量高浓度氮气以及采空区遗煤吸氧导致了回风隅角低氧现象；潘荣锟[3]采用CDEM模拟软件建立数学模型并通过六氟化硫示踪气体漏风检测验证，结果表明工作面严重漏风是导致大恒煤矿出现低氧现象的主导因素；赵罗飞[4]对朴连塔煤矿工作面低氧现象进行研究，通过实验证明低氧气体的产生主要是由于采空区遗煤对氧气的吸附造成的；王伟[5]针对大柳塔煤矿工作面低氧气体的涌出原因，采取封堵采空区漏风通道的措施，并安设局部通风机进行抽排，使上隅角氧气浓度回升至安全标准之上；鹿文勇、程望收、迟宝锁[6-9]等不约而同地采用均压通风技术，利用调节风机、风门等通风设施对工作面实现增压，抑制采空区内低氧气体涌出；金永飞[10]列举了上隅角低氧现在的特征及常用的上隅角低氧治理技术方法，认为目前仍存在低氧气体在煤层裂隙、采空区中的运移规律研究不足，导致上隅角低氧的各影响因素相关度尚不明确等问题。

本文以沙坪煤业8 号煤层开采为例，研究浅埋近距离煤层开采工作面上隅角低氧及有毒有害气体形成规律，并针对低氧气体的成因提出相应的防治技术，研究旨在解决上隅角低氧及有害气体积聚的隐患，加强沙坪煤业整体安全技术，建立浅埋深煤层安全开采示范工作面，同时为国内外其它存在低氧现象矿井的防治工作提供有益的借鉴。

1 矿井概况

山西省晋神能源有限公司沙坪煤业地处山西黄土高原西北部，西临黄河，为侵蚀性黄土、基岩低中山—丘陵地带。属温带半干旱大陆性季节气候，一年四季分明，昼夜温差大，冬春干旱多风。

8 号煤层位于山西组上部，其上有自身的分叉煤层8上煤层，平均间距仅4.23 m，属极近距离煤层。1818 综采工作面位于8 号煤南翼采区，8 号煤回风大巷以南，1817 采空区以西，火山煤矿采空区以东，东高西底，南正沟采空区以北。1818 工作面推采长度为947 m，工作面长度为216.5 m，面积20.5 万m2，采用U 型通风方式。该矿属低瓦斯矿井，8 号煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类自燃，煤尘有爆炸性。

2 上隅角低氧气体来源

2.1 煤层原生赋存

煤层瓦斯地质中，一般沿煤层垂向自上而下将煤层分为“二氧化碳—氮气带、氮气带、氮气—甲烷带、甲烷带”四个带。工作面出现低氧现象的煤层大多处于瓦斯分化带内的二氧化碳和氮气带[11-12]。可见煤层原生赋存的大量低氧气体对上隅角低氧有着重要影响。

经过煤样气体组分实验，沙坪煤业8 号煤层甲烷组分为16.92%～ 19.68%，二氧化碳组分为2.38%～3.12%，氮气组分在77.94%～79.96%。煤层气体组分中二氧化碳和氮气含量占比超过80%，所以在采煤过程中煤体破碎会有大量的二氧化碳和氮气析出，析出的混合气体在回风隅角聚集，导致氧气含量降低。

2.2 采煤活动产生

煤是由各种富含碳、氢、氧元素的有机大分子物质组成的混合物，采煤过程中煤层会吸附氧气并产生CO 等有害气体。煤岩受到剪切发生形变时会产生热量，割煤机械破碎煤体的瞬时高温超过500℃，升温使得煤体中的大分子结构发生变化，侧链和官能团在氧化作用下分解、断裂，作用产生的气体生成物中含有大量CO2、CO，有的扩散到工作面，有的则被吸附在煤层中。

工作面气体组分中CO 与O2浓度呈现出明显的负相关性，为了研究沙坪煤矿1818 综采面采煤过程中的耗氧情况，每天早中晚班3 次在工作面进风端、支架和回风隅角等地点进行CO 浓度测定，其中早班为检修班，中班和夜班为生产班，测定结果如图1 所示。

图1 1818 工作面生产与检修期间CO浓度变化曲线Fig.1 The curve of CO concentration change during the production and maintenance in No.1818 Face

观测数据表明，CO 浓度从工作面1 号支架至回风隅角逐渐升高，生产期间各支架与回风隅角CO 浓度比检修期间高15～ 20 ppm。CO 浓度的升高说明在采煤过程中确实消耗了少量的氧气，但这种体量不足以单独导致低氧现象的发生。

2.3 采空区浮煤氧化引起

采空区浮煤在氧化过程中会吸附氧气和释放CO，即使是不产生高温的状态下，煤体的破碎断裂也会产生大量的自由基，易与氧气发生反应生产碳氧化合物，不同性质的煤在氧化升温的过程中出现CO 的起始温度不同，沙坪煤业8 号煤层属于长焰煤，在常温状态下就能够吸附氧气并释放一定量的物理吸附热，随着煤体温度的升高其吸氧量和CO 产生速率相应增加，由物理吸附转为化学吸附进一步产生热量，最终发生氧化反应。因此浮煤的低温氧化是自我促进的过程，反应过程的速率依次递增。

实际上采煤机割落的碎煤、上覆和本煤层采空区内的浮煤以及暴露的煤壁裂隙都有可能在常温的条件下和空气中的氧气缓慢氧化，消耗氧气的同时产生CO2、CO 等气体，采空区的浮煤是其中的主要来源。

2.4 其它来源

2.4.1 井下爆破

沙坪煤业矿井生产过程中，有时会涉及爆破作业，炸药爆炸是一种剧烈的氧化过程，产生的气体以水蒸气、二氧化碳、氮气为主，以及少量的氢、一氧化碳、氧化氮等。一些特殊炸药的爆生气体还含有硫化氢、二氧化硫、氯化氢。1 kg 工业炸药的气体生成总量为600～ 800 L，其中水蒸气200～500 L，二氧化碳50～250 L，氮气50～250 L。一次井下爆破有可能造成小范围局部区域氧浓度降低，但沙坪煤业爆破作业次数少、用量低、管理规范，不会影响上隅角乃至工作面的氧气浓度。

2.4.2 胶轮车尾气

沙坪煤业井下辅助运输采用无轨胶轮车，胶轮车使用燃料为柴油，经多次检测沙坪煤业胶轮车产生的尾气中CO 含量均不高于500 ppm。矿井严格控制每班入井车辆的数量，胶轮车排放的尾气不足以造成工作面CO 超限或低氧现象的发生。

2.4.3 地面风流

地面风流中若出现氧浓度降低的现象，原因可能是矿井附近化工企业或居民燃烧煤炭排放到大气中的二氧化碳气体。经检测沙坪煤业矿井进风流中的氧气含量为20.95%，二氧化碳含量为0.04%，处于正常水平。

因此针对沙坪煤矿的生产特点并结合工作面回风隅角低氧气体来源分析，1818 工作面上隅角低氧现象主要是煤层原生赋存和采空区浮煤常温氧化引起的。

3 采空区气体分布规律研究

在开采8 号煤层时，8上煤层为近距离开采煤层。上覆岩层受采动影响易产生裂缝，这些漏风通道不仅是自燃火灾的隐患，同时受采动影响，有毒有害气体势必会下泄至下部煤层工作面，从而导致上隅角出现低氧问题，给工作面安全生产造成严重的威胁。因此设计在8 号煤层工作面回采过程中检测上覆8上号煤层采空区气体分布和变化情况，可为分析工作面有毒有害气体来源、漏风规律。

针对沙坪煤业8 号煤综采工作面，对运输顺槽和回风顺槽均敷设8 路束管。胶运、回风顺槽上、下隅角支架后部各铺设3 根直径为8 mm 的束管，上下顺槽同时进行监测，两顺槽束管采用钢管或角钢作保护套管，埋入采空区的束管管口取样点处，范围大约距工作面25～ 200 m，每25 m 设置1 个测定采空区气体成分的测点。测点布置如图2 所示，每天监测采空区后方气体并记录，直至进入窒息带为止。

图2 8 上号煤层采空区气体监测钻孔布置示意Fig.2 The layout of gas monitoring boreholes in goaf of No.8 up coal seam

针对8上号煤采空区的敷设，在1818 进回风顺槽内顶板处分别向8上煤层采空区布置布置8 个间距25 m 的钻孔，位置如图3 所示，分别编号为①～⑧，然后向这8 个钻孔敷设8 路束管，每天进行气体采样和色谱分析，直至无法采集为止，同时在回风顺槽和运输顺槽的巷道顶板处各布置3 路束管，测定工作面后方采空区的气体浓度，分别记为1～8 和Ⅰ～Ⅷ，每日记录数据。

图3 1818 工作面测点布置示意Fig.3 Layout of measuring points in No.1818 Face

图4 8 煤上覆采空区气体浓度距工作面距离的变化图Fig.4 The change of the distance between the gas concentration in the overlying goaf of No.8 coal and the working face

图5 1818 工作面各测点CO、O2 浓度变化图Fig.5 Variation of CO and O2 concentration at each measuring point in No.1818 Face

O2浓度从工作面前方200 m 到工作面前方约25 m 处缓慢增长，是因为受采动影响煤层顶板破裂，8 号煤层回风顺槽的风流会顺着顶板裂隙向上覆采空区漏风，从25 m 开始迅速增长，一直增长到工作面后方采空区25 m 左右，因为工作面前方25 m 内受采动影响剧烈，漏风更加严重，越靠近工作面裂隙越宽，漏风越严重，之后迅速下降是因为受地表漏风影响上覆采空区的气体会被漏风带到下煤层采空区；CO 的产生主要是由8 号煤上覆采空区煤氧反应产生的，所以与氧浓度变化趋势基本一致；8 号煤上覆采空区CH4 浓度从工作面前方200 m 的到工作面后方采空区25 m 的增长的原因是8 号煤层回风顺槽的风流会顺着顶板裂隙向上覆采空区漏风，使下煤层高浓度CH4向上覆采空区运移导致的；而高浓度的CO2浓度，工作面前方160 m 处近5%，会顺着顶板裂隙向下煤层泄露，当到达工作面前方约25 m 处，因为此时CO2浓度较低，因为上覆采空区遗煤的煤氧反应，浓度开始缓慢增加，进入采空区后方25 m，CO2、CH4也因为地表漏风影响，上覆采空区的气体（CO2、CH4、CO 等气体）也会被地表漏风带到下煤层采空区中。

在1818 工作面相邻30 m 布置6 个测点0、36、72、108、144、180 号，记为a～f，采用手持式抽气泵抽气到气体采集袋中，同时采集上隅角上、中的气体，记做1-1、1-2，利用色谱仪对气体成分和浓度进行分析，每天记录一次。

设备检修时，1818 工作面回采过程中上隅角上部CO 浓度约14～20 ppm，上隅角中部约7～15 ppm，上隅角上部CO 浓度明显大于中部。受每日温度变化影响，CO 浓度上下波动明显，最高22 ppm，最低14 ppm，1818 工作面在a、c、f 测点CO 浓度较高，O2浓度较低，在此处存在漏风通道较多。

综上所述，8 号煤层工作面支架后普遍存在漏风通道，采空区内富含的CO，CO2，CH4等气体通过工作面的漏风通道从采空区涌出到工作面，然后通过风流汇集到上隅角，导致上隅角有毒有害气体含量较大，氧气浓度降低。

4 低氧隐患治理措施

4.1 漏风通道封堵

4.1.1 地表堵漏

通过地面漏风测定，证实沙坪煤矿确实存在地面漏风现象，且漏风速率比较快，最大漏风速率达到12.9 m/min。同时可以看出，漏风速度变化范围较大，这表明漏风通道比较多，漏风通道比较复杂。工作面后方采空区束管监测数据显示，在采空区后方30～50 m，O2浓度在15%左右，这也充分证明地面与井下存在比较严重的漏风现象。应及时对地表采空区裂隙进行回填封堵，并定期对已回填采空区的裂隙进行探测，发现裂隙时进行二次回填。沙坪煤业制定了矿井地表裂隙填埋处理措施，减少漏风通道。

4.1.2 工作面堵漏

随着工作面的不断推进，采空区顶板垮落必然造成大范围内煤层发育细小裂隙，构成漏风通道，这种现象在采空区边缘尤为明显。工作面漏风也会向采空区的浮煤提供氧气，加剧浮煤的氧化。

通过稳定释放SF6 示踪气体，检测1818 综采工作面煤层裂隙发育状况，查找漏风通道。结果表明测定范围内的总漏风量为165.40 m3/min，实际漏风率在10.77%。进风巷道漏风量较小，采空区和回风巷是主要漏风通道，漏风率分别为3.31%和6.73%。

沙坪煤业是浅埋深煤层，上述研究表明沟通地面与上覆采空区的地表裂隙是影响1818 综采工作面的主要漏风通道，其次还存在来自于采空区和回风巷的内部漏风。针对上述提到的主要漏风通道，采取有效的堵漏措施，减少风流通过漏风通道，可以从根本处上切断供氧源，抑制1818 综采工作面本煤层、上覆以及邻近采空区内的浮煤发生氧化，减少低氧气体的产生。

4.2 优化通风管理

（1）稳定工作面通风系统。

工作面下行通风时进风路线上没有输送机上煤尘的飞扬，同时避免输送机运转时所散发的热量，对工作面作业有利。但下行通风方式随着气候的变化影响较大，风流稳定性差，且低氧气体自然流动方向与风流方向相反，使工作面低氧气体浓度增加，不利于工作面低氧防治工作。有条件时工作面可采用上行通风方式，对减少采空区漏风有一定的作用。

（2）工作面合理配风。

1818 综采工作面漏风通道条件稳定不变的情况下，负压通风系统中采空区漏风强度与工作面供风量的平方成正比，因此，在保证通风安全的前提下适当减少工作面风量可以降低采空区漏风，从而减少采空区浮煤氧化产生的低氧气体涌出。

（3）工作面上下隅角堵漏。

为防止采空区内低氧气体大量涌出，工作面上下隅角采取增阻的措施，必要时进行砌筑袋墙封堵，减少采空区漏风，进而减少采空区有害气体涌出。每天砌筑一道厚度1 m 的袋墙。

（4）调节区域内通风压力。

通过采空区气体分布规律分析，低氧现象主要为上覆及邻近采空区低氧气体在通风负压作用下涌入现采工作面上隅角和回风巷导致的。根据采空区低氧气体涌出原因，可在工作面回风巷设置调节风门，改变采空区流场以减少采空区低氧气体涌出，另外也可以在相邻工作面联巷密闭安设泄压装置进行泄压，可减少低氧气体对回风隅角的影响，同时应密切观测密闭内外压差及管内氧气浓度的变化，及时调节区域内通风压力。